применение электрических зондов для диагностики плазменной

XXXII Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 14 – 18 февраля 2005 г.
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗОНДОВ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЕННОЙ
СТРУИ, ИНЖЕКТИРУЕМОЙ В СВЕРХЗВУКОВЫЕ ПОТОКИ ВОЗДУХА И
УГЛЕВОДОРОДНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ.
А.Ф. Александров, А.П. Ершов, И.Б. Тимофеев, О.С. Сурконт, В.А. Черников, В.М. Шибков
МГУ им. М.В. Ломоносова, Физический факультет
При минимальных значениях энерговклада, обеспечивающих режим магнитоплазменного
компрессора, исследована инжекция импульсной плазменной струи в сверхзвуковой поток.
Измерена эволюция плотности плазмы струи вдоль сверхзвукового потока и проведено
численное моделирование тока на поперечный и продольный электрический зонд для
условий эксперимента.
Эксперименты
проведены
на
баллонно-вакуумной
аэродинамической
трубе
кратковременного действия с числом Маха M = 2. Измерения выполнены для сверхзвуковых
потоков воздуха и пропан-воздушной смеси для значений полного давления P0 = 1 - 5 атм,
температуры торможения T0  300 K , давления в вакуумной камере p = 100 – 300 тор и
массовой доли пропана, близкой к стехиометрической.
Для создания импульсной плазменной струи, инжектируемой в сверхзвуковой поток
воздуха или смеси воздух – пропан, использовался магнитоплазменный компрессором с
напряжением до 5 кВ, током до 10 кА и длительностью импульса энерговклада порядка 60
мкс.
Для диагностики струи использовался комплекс осциллографических, зондовых и
спектроскопических методов. Визуализация картины инжекции осуществлялась с помощью
сверхскоростного фоторегистратора типа СФР в режиме покадровой сьемки.
Двойной зонд вводился через стенки измерительной секции на различных расстояниях от
места ввода в поток. Измерялись ВАХ зондов, ориентированных как перпендикулярно, так и
параллельно потоку. Для измерения ВАХ между зондами подавалось смещение U(t), которое
непрерывно менялось линейно в пределах  30 В за время 10 s (время измерения одной
ВАХ) [1].
На больших расстояниях от места инжекции режим работы зонда отклоняется от
классического режима ионного тока насыщения. Поэтому для определения концентрации
ионов выполнено численное моделирование тока на цилиндрический зонд в диапазоне
параметров, интересном с точки зрения проводимых экспериментов. Применялась
одномерная модель с учетом конвекции, в которой в качестве скорости газа используется
автомодельное решение погранслойной задачи Блазиуса [2].
Сравнение рассчитанных и измеренных характеристик (включая ВАХ поперечного
цилиндрического зонда и зависимость ионных токов на продольный и поперечный зонд от
его длины) показывает удовлетворительное согласие.
Результаты измерений показывают, что импульсные плазменные струи, инжектируемые в
сверхзвуковой поток, сохраняют высокие значения плотности плазмы на больших
расстояниях от места инжекции.
Литература
[1]. A.P. Ershov, N.V. Ardelyan, S.N. Chuvashev et al. 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting
and Exhibit 5-8 January 11, 2004 Reno, Nevada, AIAA 2004-1016. 11 p.
[2]. A.P. Ershov, N.V. Ardelyan, A.V. Kalinin et al. Proceedings of the 5th International
Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics for Aerospace Applications. Moscow, 7 – 10
April 2003, p.194-200.
1